焊縫截面積的測量與應用

（中石化石油機械股份有限公司沙市鋼管分公司，湖北荊州 434001）

0.引言

作為輸送油氣的埋弧焊鋼管，包括直縫和螺旋埋弧焊鋼管，對焊縫形貌的精確控制一直是生產廠家和業主的持續要求。各鋼管廠針對各廠的焊縫形貌進行了持續改善，首先是對焊縫酸洗樣橫截面積的分析和應用。

一般酸洗時在試樣上直接測量實際形貌，采用板尺及游標卡尺。但一旦事后需要測量往往只能通過數碼照片進行圖片測量，由此帶來一些誤差。隨著工業自動化的推行，對數碼圖片的處理會更加常見，因此對其中的規律進行分析和優化是企業發展的基本要求。

1.酸洗樣形貌

1.1 酸洗樣的截面參數

焊縫的坡口和基本形貌見圖1。以直縫為例。

圖1 焊縫坡口尺寸圖

其中，a1,a2為合縫的坡口角度，可直接用銑邊坡口角度代替。P為鈍邊尺寸。B為焊縫寬度，C為坡口高度，H為熔深，δ為余高，1、2分別表示內外焊。e表示重合量。t表示鋼管壁厚，C3為預焊縫高度。

作為管線鋼材，所加工酸洗樣，也稱為宏觀樣、低倍形貌、硬度樣。一般冷鋸切尺寸為55×25×tmm，在端面經砂輪機磨平，No180和W28砂紙修磨平整后，采用20%硝酸酒精溶液進行腐蝕，即可得到清晰的酸洗樣。

在相關的鋼管標準API SPEC 5L(46版)和GB/T9711-2017中，也對埋弧自動焊(SAW)焊縫的焊偏進行了規定。通過計算雙面焊縫熔合交點雙水平線中垂線的距離來確定，這和一般理解的內外焊表面中心間的水平偏移距離不同，后者在X射線檢查時更容易直觀看到。

根據國家標準和用戶技術條件的要求，熔透深度(重合量)≥1.5mm，焊偏≤3.0mm。內外焊余高0mm～3.0mm，重要管線要求外焊余高不超過2.0mm。

1.2 酸洗樣測量

下面舉2個實例對酸洗樣進行測量。數據見 表1、表2、表3。

表1 酸洗樣表

表2 酸洗樣圖表

表3 酸洗樣測量表

1.3 數字相片的測量誤差分析

從酸洗圖中可以看出，直縫預焊的形貌已經被內外焊燒熔，只有內外埋弧焊的形貌。其中后焊的焊縫才具有完整的焊縫熔合線和熱影響區。螺旋鋼管的內外焊由于處在下坡焊的位置，焊縫形貌與直縫有所不同，內焊往往呈現為馬鞍形，內凹不得低于母材。

一般理化室采用數碼相機對酸洗好的宏觀樣進行微距拍照。鏡頭距離試樣表面40mm～60mm，傾斜角度5°～10°以保證照片清晰。數碼相機所照的JPG圖片經過裁剪和縮小用于宏觀報告中。

上述的照相方式會帶來兩個具體的誤差，傾斜誤差和廣角誤差。具體分析如下。對3號酸洗樣而言，采用兩種不同的數碼相機進行照相對比，A采用相機Canon A620，B采用相機Sony W570。前者傾角15°，距離40mm；后者傾角5°，距離60mm。數據見表2、表3。

通過對比各照片和數據，在設定壁厚為標準計算時，可以看出，（1）3A照片清晰，但畸變較大。（2）傾角增大時，內焊寬度、余高大大增加，外焊寬度略大于實際值，外焊余高略有減少。（3）拍照距離應大于60mm，使得試樣呈現在相片中心1/2圓直徑位置內，以減少周邊畸變。

廣角畸變則是由于圖片占據相機CCD的截面尺寸太大，導致周邊發生明顯畸變。這需要將試樣調整到圖片的中心位置，避免試樣尺寸過大而變形。

因此，在實際測量時，采用圖片測量法時，一般采用板尺對實物余高和熔深同時進行核對，采用游標卡尺對焊縫寬度進行核對。盡量記錄準確的焊縫尺寸。控制相機傾角0°～5°，距離60mm～100mm。

如果采用手機進行微距拍照，同樣也要進行上述的誤差分析。

2.焊縫截面積的計算

2.1 直縫焊縫截面積的計算

直縫的截面積便于計算，可先進行分析。面積可簡化為矩形或梯形、三角形等來計算表面積。實測時主觀性太大。在焊接自動化不斷推進的前提下，需要更為精準的測量方式。

根據酸洗實物，直縫內外焊截面可理論簡化為一個表面圓冠，見圖2。可根據基本公式r2=(B/2)2+(r-δ)2和表面積 S=r2θ/2-B(r-δ)/2 來進行運算。

圖2 圓冠面積計算圖

面積計算時需要考慮銑邊坡口尺寸，才能計算出熔敷面積。

2.2 螺旋截面積的計算

螺旋的內外焊均處于下坡焊位置，與直縫和試驗車間的平焊位置不同。將焊縫表面分為圓滑、魚脊、蓋帽、蓋帽圓滑、外表梯形、馬鞍形共6個圖形，主要是為了較為準確的計算焊縫表面的形狀[1]。至于內部焊縫，則可貼近實際形狀選擇11個點并進行面積計算。螺旋焊縫外焊縫接近于外表梯形，內焊縫往往是馬鞍形。

對收集到的多個壁厚的螺旋鋼管形貌數據計算見表4。一般僅寬度B和余高δ為已知。

表4 螺旋面積計算表

對比顯示，內外焊各3組數據，面積比值A/A0較為整齊，基本上在1.1左右。因此可以采用直縫的面積算法來按比例用于螺旋形貌預計。

3.焊縫截面積數據的應用

3.1 熔合比計算

埋弧焊熔合比的基本公式是：γ=SM/S。其中SM為焊縫中的母材熔化面積，S為焊縫總面積[2]。根據前面的分析，可以計算出幾個焊縫的熔合比如表5。

表5 焊縫熔合比表

上表反映出螺旋焊縫的熔合比較大，直縫焊縫的熔合比較小。則焊縫中成分配比由母材和焊絲的成分混合，以及部分燒損造成。這也導致由于直縫中焊絲的有益化學成分分配較多，而使得直縫的焊縫韌性會好于螺旋焊縫。

3.2 焊縫形貌精確預計

經驗公式認為，圓冠面積A1=2/3(Bδ)[3]，根據實際的焊縫圓冠參數經過回歸分析得到經驗公式為：A1=0.21+0.638Bδ[4]。由于焊縫寬度B和壁厚t存在線性增加的經驗關系，然后根據回歸分析的焊縫熔敷量G即可計算得到預期的焊縫余高。

直縫焊縫余高δ的經驗公式如下：

δ=(G/(7.85V)-C2tana-0.21+C3(C3-0.5)tana)/(0.6388B)

式中，δ―焊縫余高(mm)，G―焊絲的熔敷量(g/min)(G=∑kIaUb)，V―焊接速度(m/min)，C―焊縫坡口深度，C3―預焊高度(mm)，a―銑邊坡口角度(°)，B―焊縫寬度(mm)。根據用戶的要求即可設計的合理規范。

螺旋焊縫余高也可根據前述截面積經驗公式推導得到。

4.結論

（1）酸洗樣的截面可按實物和照片進行測量，并對圖片進行合理的形狀選擇以計算焊縫截面積。（2）圖片酸洗分析結果受到相機傾斜誤差和廣角誤差的影響。（3）截面面積可用于計算熔合比和焊縫形貌精確預計。